河北廊坊-天津大港剖面地壳上地幔电性结构特征.docx

1、第29卷第4期西北地震学报Vol.29No.42007年12月NORTHWESTERNSEISMOLOGICALJOURNALDec.2007河北廊坊一天津大港剖面地壳上地幔电性结构特征徐新学口，陈宇坤2,刘俊昌】,张宝华】,夏训银序(1.天津华北地质勘查局，天津300181；2.天津市地震局，天津300201,3.河北九华勘查测绘有限责任公司，河北保定071051)摘要:在河北廊坊一天津大港一线部署了110km的MT勘探剖面，通过资料远参考与Robust估算处理及反演解释，对剖面的构造维数及构造方向做了分析；揭示了冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷三个不同构造单元及边界接触关系；对地壳、上地慢电性

2、构造层进行了划分和分析。MT成果显示岩石困体现为纵向分层、横向分块的特征；沧东及大城断裂是区内重要的深大断裂，控制了隆起两侧坳陷的沉积和形成，断裂深部对应上地慢高导层的局部隆起，两侧存在中下地炎高导层的错动。关键词：大港一静海一廊坊；大地电磁测深；地壳上地幔；电性构造层；断裂构造中图分类号：P631.3+25文献标识码：A文章编号：1000-0844(2007)04-0364-07TheCrustandUpperMantleElectricalConductivityStructurealongtheProfileofHebeiLangfangTianjinDagangXUXin-xue1*3

3、,CHENYu-kun2,LIUJun-chang1,ZHANGBao-hua1,XIAXun-yin1，3(1.HuabtiGeologicalexplorationbureautTianjin3001819China2.EarthquakeAdministrationufTianjinMunicipality,Tianjin3002019China;3.SurveyingandMappingCo.LtdofHtbtiJiuhuafHebeiBaoding0710519China)Abstract:BasedonthedataofMagnetotelluricsoundingprofilef

4、romLangfangofHebeiprovincetoDagangofTianjinCitywith110km,throughthemethodsoffarreferencewithRobusttreatmentandinversion,theanalysisofapparentresistivity,two-dimensionalskewnessandelectricalaxesisdone.TheresultsshowthetouchrelationshipsamongthreetectonicunitsofJizhongdepressionCangxianupliftedzoneand

5、Huanghuadepression,dividetheelectricalconductivitystructurelayersinthecrustanduppermantle.CangdongfaultandDachengfaultareimportantstructuresintheareawhichcontralthedepressionsinbothsideofupliftedzoneandsedimentation.Thedeepoffaultscorrespondupdiftedzoneofhighconductivelayerofuppermantle.Keywords:Heb

6、eiLangfangTianjinDagangprofile;Magnetotelluricsounding；Crustanduppermantle；Electricalstructures;Faultstructures收稿日期.2007-01-29基金顼目t天津市“十五”重点项目(天津市活断层探测与地震危险性评价)(2004-1138-1-4-2)作者简介：徐新学(1970-),男，山东青州人，硕士，高级工程师，主要从事地球物理应用与研究工作.o引言随着天津市构筑国际性海口大城市的进程和综合经济实力的不断增强，应用先进有效的地质与地球物理探测技术和手段查清天津市地下隐伏断裂构造及地壳、上地

7、幔等的构造特征，定性评价断层的地震危险性及孕育环境，采取“避让”、"活断层分级设防”等切实有效的防震减灾措施，成为十分重大的基础性工作。大港一静海一廊坊一线断裂构造发育。夭津市徐新学等：河北廊坊一天津大港剖面地壳上地帔电性结构特征徐新学等：河北廊坊一天津大港剖面地壳上地帔电性结构特征第4期地震局部署本项目的目的是以大地电磁测深资料为依据，通过结合其他物探与地质资料，了解天津市区周边深部地壳上地幔100km范围内的地质结构、电性分层、壳内与上地幔高导层的埋深等问题，为天津的活断层评价，以及断裂与深部构造的关系提供基础资料。本次探测的剖面北西起自河北廊坊市杨税务乡，向南东依次经过码头、葛

8、渔城、独流、静海开发区、大邱庄、小王庄到大港区太平村镇的大屯。测线方位角330°,剖面全长110.8km,测深点112个，点距为500-2500m,其中正常周期观测点100个（320-0.000549Hz）,武清凹陷段超长周期观测点12个（320-0.0000689Hz）。1区域地质、电性特征1.1区域地质概况测线位于华北断陷内，自北向南依次穿越其中坳陷（武清凹陷、杨村斜坡带）、沧县隆起、黄骅坳陷三个大的地质构造单元，隆起与坳陷间基本为东断西超的接触关系，沿线地表被厚层第四系所覆盖。根据中国石油地质志和以往工作综合资料分析口也，区内基底由太古界和下元古界变质岩或浅变质岩组成，其上覆盖

9、了华北地台型的沉积盖层，包括中上元古界、古生界（寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系），中生界（三叠系、侏罗系、白垩系）和新生界（第三系、第四系）。图1为华北断陷区域构造图。图1华北断陷构造单元及测线,位直图Eg.1Distributionofgeologicalstructureofrift-depressionbasininnorthChinaandMTprofile.区内的构造发展史经历了四个阶段：（1）中、晚元古代台缘裂陷阶段。即产生燕山、太行山裂陷槽（或称拗拉槽,Anlacogen）时期。天津市西部太行山与其中坳陷相接处正是裂谷发育之地,形成的NE向构造格局为尔后沉积盆地发展奠365定了基

10、础。（2）古生代稳定地台建造阶段。以稳定的地台升降为特征，沉积了巨厚的碳酸盐岩沉积，断裂、褶皱和岩浆活动都不发育。加里东期造山运动在此表现不明显，海西期则是由稳定地台整体沉降过渡到地台解体阶段。（3）中生代地台隆褶、解体阶段海西运动之后，华北地台受边界板块（既太平洋板块、欧亚板块）的多向运动影响，断裂活动逐渐由地台边缘向内部发展，大型陆盆开始分异。燕山运动使整个华北地台断裂活动开始发育，区内形成断陷和坳陷。（4）新生代断陷一坳陷阶段。进入了块断活动为主的发展期，发育了大危的拉张正断层，形成一系列不对称的断陷及隆起构造单元。1.2地球物理特征根据前期MT成果和电测井资料以及邻区的电性分析，该区内

11、发育的儿类主要岩石大致具有的电性特征为：太古界和下元古界结晶基底具有明显的高阻特性，电阻率值一般大于500Q-m；以白云岩、石灰岩为主的下古生界也具有高阻特征，电阻率值一般为儿百Q-m,上古生界含煤地层电阻率较低，一般为儿十Q-m；中生界的砂岩、砾岩、泥岩等电阻率也较低，新生界为低阻沉积，特别是下第三系的湖相泥岩的电阻率最低，电阻率一般只有几Qm。区内地充普遍反映为明显的三层结构，最上一层为沉积盖层，第二层一般称为花岗岩质层或硅铝层，第三层为玄武岩层或硅镁层，再向下则为上地幔。莫霍面的趋势总体为自SE向NW逐渐加深，相对地壳则由薄变厚，中下地壳存在高导层；上地幔高导层顶面呈NNE向展布，埋深在

12、50-80km左右，存在以渤海为中心的下辽河拗陷和黄骅拗陷以及沿冀中拗陷展布的两个隆起带，沿沧县隆起为上地幔高导层拗陷带06】。2资料采集与处理2.1资料采集资料采集采用加拿大凤凰地球物理公司生产的具有模块化高度集成、24位模数转换、GPS卫星同步等先进技术的V5-2000新型大地电磁观测系统,该系统性能稳定，动态范围广，抗干扰能力相对较强。采用五分量张量方式采集数据，正常频段为320一0.000549Hz,LowMT频段为100.000017Hz。电极采用极差小于2童伏的固体不366极化电极，磁棒采用凤恩公司配套提供的MTC-50型。工作时采用远参台站同步采集的远距离磁分景参考方式，参考距离

13、约120km,该距离能有效地改善中低频段的数据质量。测点正常采集的时间为1624个小时，超长周期观测时间为68144小时。2.2资料处理资料处理采用加拿大凤凰公司提供的SSMT2000数据处理软件，观测的数据采用了远参考与Robust相结合的方式。利用时间序列Robust估算求取阻抗张量元素，能最大限度的保证估算的大地电磁响应的可靠性。测点磁分量远参考道处理技术主要是利用了天然电磁场的磁分量的平面波特征，通过一定距离磁场信号的相关处理能有效消除局部相关噪声，有效改善干扰区观测数据的质量。在数据处理时优选了50个测点，采用了常规MT与超宽频LMT频段相结合的方法，通过两个频段数据在10Hz附近相

14、接合，实现了现有观测周期条件下将频段扩展到0.000275Hz和0.0000689Hz,有效保证了探测深度。3区域构造分析3.1构造维数与走向分析大地电磁测深阻抗的二维偏离度（skewness）的取值范围可判别地下介质的维数特征，了解地下介质电性的复杂程度“人对一维和理想的二维构造S=0,般情况下，S值越小说明地下介质趋于二维，当S值小于0.3时，可近似的认为地下的构造具有二维特征说。图2为沿剖面所有测点随频率变化的二维偏离度立体示意图，数值基本上都小于0.3,是二维模型。34至80号点附近小于0.01Hz的偏离度较大，该段基本对应沧县隆起，其中间54-64号点较小，说明隆起边缘与两侧坳陷分界

15、线附近地电构造较单元内部复杂。该区大于0.】Hz时所有测点的偏离度值都在0.15附近，视电阻率曲线首支拟合在一起，说明浅部构造的一维特征明显。西北地震学报Swift阻抗张量最佳旋转主轴是表明地下电性构造走向特征的参数。图3为部分测点电性旋转主轴方向。测区构造走向总体近NESW向，测点主轴方向一般约在45°左右，与测线方向存在少许夹角，在0.1Hz后变化较大些，部分测点构造主轴甚至在90°,可能与SN向构造被EW向构造错断有一定关系。第29卷图2剖面测点的二维偏离度图Fig.2Two-dimensionalskewnessatMTsitesalongtheprofile.3.

16、2反演模式选择实践证明，TE模式得到的反演结构在深度方向上能更准确的反映实际模型；TM模式则在横向上能更准确地反映实际模型。在该区实际应用中考虑到表层低阻覆盖层较厚，表现出明显的浅部一维构造特征，以及反演结果在坳陷区的探测深度和剖面断裂的横向分布位置等原因，处理时采用了旋转到主轴的TM模式的反演方法，并结合已知资料来确定各电性层的深度。为适应反演方法的要求，在纵向上对模型进行离散化，每个薄层用一个连续函数来描述其横向电阻率变化，因而二维连续模型可用一组连续函数集来描述。二维连续介质反演就是通过最佳拟合剖面上大地电磁响应函数（视电阻率、阻抗相位），来求各个薄层的电阻率连续函数的具体形式。与一维反

17、演结果相比，两者在浅部的一致性比较好，而深部由于旁侧电性的影响，一维反演的假设条件难以满足，而二维反演由于考虑了这种旁侧电性的影响，其结果更接近于真实的地电情况.4剖面电性资料分析4.1典型曲线分析测点视电阻率曲线反映了该测点地下电性随深度的变化规律，其形态与构造层有较好的对应关系。图4示010号点（QQ或QH型）位于冀中坳陷内，第一极大值为壳内高阻体的反映，曲线低阻极值点出现较晚且尾支阻值较低，表明在厚层高阻体下高导层的存在；037号点（HA或HK型）在坳陷和隆起的过渡带上（杨村斜坡带），随频率的变化曲线变化比较平缓，呈现低、高阻相间的特征346点（H或HK型）在沧县隆起构造单元上，曲线第一

18、个极大值点是上地壳高阻体的反映，1Hz处极小值的出现对应壳内高导层（花岗岩层和玄武岩层过渡带），第二极大值是下地壳与地幔盖层的体现388点（KH或KQ型）在沧东断裂带附近，总体阻值较隆起区低近沧县隆起低而较冀中坳陷高，说明沉积盖层厚度大于沧县隆起，小于冀中坳陷。010与090点首支阻值与形态的差异说明两坳陷沉积盖层存在岩性差(c)046点(d)088点(c)090点(a)010点(b)037点(c)090点(b)037点(c)046点(d)088点(a)010点典型测点的电性主轴方向OpticangleoftypicalMTsires.图3Fig.3图4典型测点的视电阻率曲线Apparentr

19、esistivitycurveofsometypicalMTsites.Fig.44.2剖面电性结构分析图5是采用二维连续介质反演算法得到的剖面电性结构图I，反演模型理论计算结果与实测数据拟合误差为0.182,说明反演结果与剖面实际电性结构大体相似。该图清晰地显示了冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷三个不同构造单元及其过渡带的电性结构特征,冀中坳陷呈低阻特性，而沧县隆起表现为高阻特征。各构造单元分层现象明显，深部构造块体及其边界在电性特征上显示十分清楚，表现出了上地壳构造复杂，中上地壳具有横向不连续的低阻体和上地幔纵向电性差异相对较大的特点。中上地壳高导体在断裂构造附近存在局部的上下错动，莫霍面在电

20、性剖面上表现为自下地壳（高阻）到上地幔盖层（次高阻）渐变的梯度带上，上地椎高导层则表现为横向上相对连续的低阻块体。冀中坳陷段（1-37点），坳陷内存在厚层的新中生界沉积盖层，在码头镇15-17号点左右，新生界沉积厚度最大，约达5000m,自西向东逐渐变薄，下部有约2000m的中生界沉积，浅部600m左右平均电阻率在约10Q的第四系覆盖也有较明显地显示。该段武清凹陷和杨村斜坡带（盆地斜坡构造）的形成与河西务断裂渐新世至晚第三纪的活动密不可分山）。该段总体电阻率值偏低，与地壳破碎、张性裂隙发育、富水程度较高有关。地壳厚度表现为两端厚中间薄的特征，上部覆盖层电阻率约在几个欧姆，下部阻值高达几百欧姆。

21、在沉积盖层较厚的地区没有发现壳内高导层的存在，推测巨厚低阻屏蔽影响了下部低阻薄层的分辨率，但在该区段的两段约18km深度壳内发现有相对低阻体。在剖面上37号点左右深度范围在2090km范围内出现高阻和低阻块体的相互堆积，成串珠状，电性边界较陡，可以理解为上地幔软流层物质沿隐伏的断裂通道上涌，导致强烈构造变形活动后，中下地壳iff破坏后的结果。从主控断裂性质来看，在15km以下，可能存在与上地幔连通的隐伏断裂构造，受滑脱构造运动影响，其倾向与上地壳大多相反。沧县隆起段（37-82点）横向相对比较连续，构造层分层明显。上地壳上部为近地表厚约1000m、电阻率值在几十个欧姆的低阻沉积盖层，上地壳下部

22、为高阻，厚度约在812km；中上地壳存在相对连续的低阻高导层，推测为局部熔融的流体该区丰富地热资源与其有关，下地壳表现为高阻;上地幔表现为横向不均匀的低、中、高阻特征，说明沿36OO庇堑）新、中生界员有中生界N2断层及埼号m伏断度U3沉没盖房底EZ3充内商导层曰其霍面曰上给慢蓦导层叵至局部低阻帝匚±超长用期Mr点Fl、F2治东断裂带：F3、F4天津Hi裂flhF5大城断裂,F7葛渔城峭裂帝：F8、F9河西务断裂帝母XX困5河北廊坊-天津大港剖面地亮上地幔大地电磁反演及电性结构解释图Fig.5Inversionandelectricalconductivitystructureofth

23、ecrustanduppermantlealongtheprofileofHebeiLangfangTianjinDagang.«AFsfshup%www.£s.p.8m剖面地幔盖层差异较大。壳内高导层埋深约15km,厚度约35km；上地幔高导层深度约在7080km,在大丰堆附近有可能超过90km。黄骅坳陷段（82-100点）地壳表现出与冀中坳陷类似的特征，上地壳厚度较大，相对其中坳陷而言，上部新、中生界沉积盖层较薄。在2530km深度存在高导体，并有与地慢流体相连通的趋势。在93号点附近70km深度左右发现存在近10km宽的低阻块体，推测为上地慢高导层的局部隆起。4.3断

24、裂构造分析该区断裂分为三类：一是岩石圈断裂，它切穿岩石圈，但不明显进入软流圈，规模大，伴有深部超基性岩体;二是壳断裂，包括硅铝层和硅镁层断裂，硅镁层断裂切穿地壳但不明显进入上地幔，伴有玄武岩的喷溢，而硅铝层断裂为切穿硅铝层但不明显进入硅镁层的断裂，常伴有酸性岩浆活动；三是盖层断裂，切穿沉积盖层而达到结晶基底顶面，在本区非常发育。大地电磁测深资料中判别断裂的依据主要有两个方面:曲线类型变化。断裂两侧由于层位错动，地电结构发生突变，造成曲线类型变化;各种断面图等值线畸变。断裂两侧地电结构的改变，导致等值线可能形成各自封闭、扭曲以及密集带、梯度带等现象。（1）F1、F2断裂（沧东断裂带）沧东断裂属印

25、支一燕山构造旋回的产物，它控制了此时期的岩浆活动，是沧县隆起与黄骅坳陷的分界线【购，断裂两侧新生界发育程度差异明显。西侧上升盘是沧县隆起，东侧下降盘是黄骅坳陷。资料揭示，该断裂向下切割的深度大于10km,归于一壳内大型拆离断裂，对黄骅坳陷的形成与沉积起着控制作用。MT资料显示在83-87号点附近电性构造层横向有明显差异和错动，断裂南东侧破碎充水电阻率低，北西侧电阻率较高，在断裂附近形成等值线梯度带，表现为纵向上带状相对低阻。断裂向SE倾.倾角约60°,正断层，上断点埋深约1000m。其右侧发育诸多的次级断裂，该断裂与F2等共同构成宽度近57km的断裂带，切割较深，上陡下缓，在约20k

26、m变得比较缓平，可能到达莫霍面，成果显示对应该断裂深度的中下地壳似乎已遭遇破坏。（2）F3、F4断裂（天津断裂带）F3天津北断裂位于67号点附近，在基底中造成下、中太古界与上太古界的分界，前人认为属壳断裂，是中生代形成的产物？断裂两侧岩性有较明显地变化，上地壳盖层电阻率等值线横向错断,下地壳电阻率等值线也发生错断，F3是一NW倾向、倾角近约85°的壳断裂，与前期MT资料推断性质一致。F4天津南断裂位于73号点附近，与F3断裂间高阻异常体的存在有可能是受推覆构造运动的影响。（3）F5断裂（大城断裂）位于37点附近，是冀中坳陷与沧县隆起的分界线，倾向NW,倾角近80MT资料等值线出现纵向

27、密集的梯度带，断层西侧沉积了巨厚的新中生代沉积，两侧沉积落差达6km,说明该断裂对西侧坳陷区的形成起了重要的控制作用。沉积盖层呈现明显的超覆现象，30号点至37号点为该断裂构造的过渡带，15km以下资料揭示两侧对应高阻体错断近6km,中下地壳和上地慢电性特征表现为高低相间的块状堆积，电性界面较陡，该断裂有可能进入上地幔。（4）F7葛渔城断裂该断裂为武清凹陷拉张下陷形成的盆地边界断裂，对葛渔城盆地的形成与发育起着重要的作用；F8、F9河西务断裂，其活动时期在大兴断裂基本停止了拉伸和拆离后（渐新世晚期），导致廊固凹陷与武清凹陷的分离，该断裂的NW侧阻值高于南东侧，呈现明显的背斜构造，是油气资源丰富

28、的河西务古潜山带。该断裂对武清凹陷内中、新生界沉积起了重要的作用。5结语通过MT资料成果的分析，对两坳一隆三个构造单元岩石圈上地壳沉积盖层、中上地壳高导层、莫霍面深度及上地幔高导层进行了划分。地壳新、中生代沉积盖层在翼中坳陷最厚，厚达57km；沧县隆起约在1km；黄骅坳陷约在25km。中上地壳高导层在隆起区约为1115km,在深大断裂附近受构造运动影响有上下错动，坳陷内地壳高导层反映不明显。莫霍面埋深约在2838km,电性资料揭示沧县隆起区厚冀中坳陷区薄；上地慢高导层深度约在5080km,沧县隆起地段局部可能超过90km,坳陷地段浅，隆起地段深，深大断裂附近可能存在局部隆起。天津华北地质勘奁尚地球物理勘探公司.天津海河流域物探方法实验.2003.370冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷三个构造单元的边界电性构造特征明显，大城、沧东断裂、河西务西断裂对坳陷内中新生代沉积起了重要的控制作用，是本区主要控制性断裂构造。沧东断裂是一个断裂带,宽度近5km,是一切割地壳，直达上地幔的深大断裂。利用大地电磁测深法来研究岩石圈地壳、上地慢电性结构特征，研究地震活动发生的深部孕育机制，是一种最经济、快捷、有效的地球物理勘探方法，在了解电性构造层位划分，确定断裂